1、公共选修课,现代物理概论,第十一讲 海洋技术,由__提供下载,海洋技术是人类向海洋进军中的一个新的技术领域，几乎涉及当代所有的科学技术，综合性强，是各种通用技术和现代最新技术在海洋这个特殊环境中的应用和发展。海洋的开发利用首先需要用到海洋调查和探测技术。海洋资源开发技术包括海洋石油开发、海底矿产资源开发、海洋生物资源开发、海水化学资源开发、海洋能源开发和海洋空间利用技术。开发利用海洋也离不开海洋预报和海洋环境保护技术。,第一节 海洋技术发展简史 人类利用海洋已有几千年的历史。由于受到生产条件和技术水平的限制，早期的开发活动主要是用简单的工具在海岸和近海中捕鱼虾、晒海盐，以及海上运输，逐渐形成了
2、海洋渔业、海洋盐业和海洋运输业等传统的海洋开发产业。 17世纪20年代至20世纪50年代，一些沿海国家开始开采海底煤矿、海滨砂矿和海洋石油。1957年，海洋研究科学委员会(SCOR)和1960年政府间海洋学委员会(IOC)的成立，促进了海洋科学的迅速发展。美国核潜艇“鹦鹉螺”号1950年从冰下穿越北极，美国的深潜器“迪里雅斯特”号1960年曾深潜到10916米的海洋深处，这表明海洋的任何部分都能被人类所征服。,但是，1960年美国潜艇“蝎子”号和1963年“脱粒机”号失事，全体乘员丧生，又从反面证明海洋环境仍然是难以掌握的。事实上，从技术的角度来说，人类在深海海底上行走并不比在月球上漫步容易。
3、 20世纪60年代以来，海洋科学中所有的重大进展都与新的观测仪器、研究手段和方法的研制成功，以及广泛而密切的国际合作有关。例如，卓有成效的海洋观测，数据传输、处理系统的应用，航天遥感、遥测技术和水声技术的应用，国际地球物理年、国际印度洋考察、黑潮及邻近水域的合作研究、国际海洋考察十年、全球大气研究计划大西洋热带实验、深海钻探计划，以及世界(海洋科学)资料中心的建立等国际性海洋科学合作研究。它们都直接推动了海洋科学技术的发展。,同时，随着对矿物资源、能源的需求量不断增加，人类开始大规模地向海洋索取财富。随着科学技术的进步，对海洋资源及其环境的认识有了进一步的提高，海洋工程技术也有了很大发展，海洋
4、开发进入到新的发展阶段。大规模开发海洋石油、天然气和其他固体矿藏，开始建立潮汐发电站和海水淡化厂，从单纯的捕捞海洋生物向增养殖方向发展，利用海洋空间兴建海上机场、海底隧道、海上工厂、海底军事基地等，形成了一些新兴的海洋开发产业。,第二节 取之不尽、用之不竭的海洋资源 海洋资源指的是与海水水体及海底、海面本身有着直接关系的物质和能量。 形成和存在于海水或海洋中的有关自然资源，包括海水中生存的生物，溶解于海水中的化学元素，海水波浪、潮汐及海流所产生的能量、贮存的热量，滨海、大陆架及深海海底所蕴藏的矿产资源，以及海水所形成的压力差、浓度差等。广义的还包括海洋提供给人们生产、生活和娱乐的一切空间和设施
5、。 可以毫不夸张地说，海洋中除了几乎拥有陆地上所有的资源外，还有陆地上所没有的一些资源。目前人们已经发现的有以下几大类： 石油、天然气。据估计，世界石油极限储量1万亿吨，可采储量3000亿吨，其中海洋石油1350亿吨；世界天然气储量255280亿立方米，海洋储量占140亿立方米。,中海油春晓油气田,煤、铁等固体矿产。日本九州附近海底发现了世界上最大的铁矿之一。亚洲一些国家还发现许多海底锡矿。已发现的海底固体矿产有20多种。我国大陆架浅海区广泛分布有铜、煤、硫、磷、石灰石等矿。 海滨砂矿。海滨砂矿是指在海滨地带由河流、波浪、潮汐和海流作用，使重矿物碎屑聚集而形成的次生富集矿床。它既包括现处在海滨
6、地带的砂矿，也包括在地质时期形成于海滨，后因海面上升或海岸下降而处在海面以下的砂矿。海滨沉积物中有许多贵重矿物，如：含有发射火箭用的固体燃料钛的金红石；含有火箭、飞机外壳用的铌和反应堆及微电路用的钽的独居石；含有核潜艇和核反应堆用的耐高温和耐腐蚀的锆铁矿、锆英石；某些海区还有黄金、白金和银等。我国近海海域也分布有金、锆英石、钛铁矿、独居石、铬尖晶石等经济价值极高的砂矿。,多金属结核和富钴锰结壳。多金属结核含有锰、铁、镍、钴、铜等几十种元素。大洋多金属结核，人们通常又把它称为锰结核、锰团块、锰矿球，或锰瘤等。它的主要成分为锰和铁的氧化物和氢氧化物，含铜、镍、钴等多种金属元素，广泛分布于太平洋、大
7、西洋和印度洋水深 4至6千米的海底，一般呈球状或椭圆球状或块状，直径1至20厘米。世界洋底的锰结核总量约3万多亿吨，其中太平洋底最多，约1.7万亿吨，含锰4000亿吨、镍164亿吨、铜88亿吨、钴58亿吨。这些储量相当于目前陆地锰储量的400多倍，镍储量的1000多倍，铜储量的88倍，钴储量的5000多倍。按现在世界年消耗量计，这些矿产够人类消费数千甚至数万年。更重要的是这种卵状矿物还在不断生长。太平洋底的锰结核以每年1000万吨左右的速度生长，一年的产量就可供全世界用上几年。,热液矿藏。是一种含有大量金属的硫化物，系海水侵入水深2000至3000米海底裂缝中，被地壳深处热源加热后，溶解了地壳
8、内的多种金属化合物，再从洋底喷出，遇冷海水而凝结生成的沉淀物。又称“多金属软泥”或“热液性金属泥”。含有铜、铅、锌、锰、铁、金、银等多种金属。其中金、银等贵金属的含量高于锰结核矿，被称为“海底金库”。分布水深一般为800至2400米。已发现30多处矿床。仅美国在加拉帕戈斯裂谷储量就达2500万吨，开采价值39亿美元。 海洋食物。全球海洋总的渔获量,已经成为世界上动物蛋白的最大源泉,来自海洋的动物蛋白占人类所需动物蛋白的20%左右。仅位于近海水域自然生长的海藻，年产量已相当于目前世界年产小麦总量的15倍以上，如果把这些藻类加工成食品，就能为人们提供充足的蛋白质、多种维生素以及人体所需的矿物质，海
9、洋中还有丰富的肉眼看不见的浮游生物，加工成食品，足可满足300亿人的需要，海洋中还有众多的鱼虾，真是人类未来的粮仓。,第三节 海洋技术的基本内容（1）五大海洋技术 海洋科学技术也叫海洋工程，是一门以综合高效开发海洋资源为目的的高技术，它的内容主要包括以下五个方面： 海洋农牧化科学技术。海洋开发在解决“吃”的问题方面可以发挥重大作用。其中包括：优良品种选育、培养技术；病害防治技术；海水养殖和放牧技术；养殖海域生态优化技术；海洋生物深加工技术；海洋医药技术等。海水综合利用技术。海洋中的水资源是无限的，越来越多的利用海水是世界性的大趋势。海水综合利用科学技术包括海水直接利用、海水淡化、海水化学元素提
10、取利用三个方面的科学技术问题。,霞浦海水养殖.,海水淡化工厂,海洋油气勘探开发技术。海底油气资源勘探开发是技术密集型产业，高技术含量很高，成为海洋科学技术中的一个重要门类。我国经济专属区和大陆架海域约为300多万平方公里，传统海域内沉积盆地面积约为143.2万平方公里，近海大陆架中有10个沉积盆地，合计面积约为92.2万平方公里，盆地里含有丰富的油气资源。海洋油气资源开发已经成为海洋产业中发展最快的新兴产业。 深海科学技术。沿海国家的专属经济区和大陆架之外的国际海底区域，总面积2.517亿平方公里，是人类共同继承遗产，有丰富的多金属结核、钴结壳、多金属硫化物、天然气水合物资源、深海生物基因资源
11、。这是世界上唯一的未被充分开发利用的地理区域.,海洋观测（监测）技术。海洋观测是一项全球合作任务，需要多学科和多种技术手段的配合，也有多元化的应用领域。其中主要包括：气候监测评估和预报；海洋环境观测评估及预测；海洋生物资源评估；沿海环境、海洋灾害评估和预报；海洋学及其应用；海洋浮标；海洋电子和网络技术；海洋遥感技术；海洋绘图技术；水声学科学技术等。,我国的海洋一号卫星,海水淡化 经过400多年的努力，科学家们发明了多种淡化海水的方法：蒸馏法；冷冻法；反渗透法；多级闪蒸法；电渗析法；太阳能法；低温多效蒸馏法；压汽蒸馏法；露点蒸发法等。 冷冻法：即冷冻海水使之结冰，在液态淡水变成固态冰的同时盐被分
12、离出去。 反渗透法：对透过的物质具有选择性的薄膜称为半透膜。一般将只能透过溶剂而不能透过溶质的薄膜视为理想的半透膜。当把相同体积的稀溶液（如淡水）和浓液（如海水或盐水）分别置于一容器的两侧，中间用半透膜阻隔，稀溶液中的溶剂将自然的穿过半透膜，向浓溶液侧流动，浓溶液侧的液面会比稀溶液的液面高出一定高度，形成一个压力差，达到渗透平衡,状态，此种压力差即为渗透压。渗透压的大小决定于浓液的种类，浓度和温度与半透膜的性质无关。若在浓溶液侧施加一个大于渗透压的压力时，浓溶液中的溶剂会向稀溶液流动，此种溶剂的流动方向与原来渗透的方向相反，这一过程称为反渗透。 多级闪蒸：所谓闪蒸，是指一定温度的海水在压力突然
13、降低的条件下，部分海水急骤蒸发的现象。多级闪蒸海水淡化是将经过加热的海水，依次在多个压力逐渐降低的闪蒸室中进行蒸发，将蒸汽冷凝而得到淡水。 电渗析法：该法的技术关键是新型离子交换膜的研制。离子交换膜是0.5-1.0mm厚度的功能性膜片，按其选择透过性区分为正离子交换膜（阳膜）与负离子交换膜（阴膜）。电渗析法是将具有选择透过性的阳膜与阴膜交替排列，组成多个相互独立的隔室海水被淡化，而相邻隔室海水浓缩，淡水与浓缩水得以分离。电渗析法不仅可以淡化海水，也可以作为水质处理的手段，为污水再利用作出贡献。此外，这种方法也越来越多地应用于化工、医药、食品等行业的浓缩、分离与提纯。,海洋物理学的主要研究海水各
14、类运动和海洋与大气及岩圈的相互作用的规律，为海况和天气的监测及 海洋预报提供依据；研究海洋中的声、光、电现象和过程，以掌握其变化和机制；研究海洋探测的各种物理学方法，从而实现有计划地在海上进行现场的专题观测和实验。通过这三方面的研究，形成了海洋物理学中一系列的分支学科 ，其中主要的有物理海洋学、海洋气象学、海洋声学、海洋光学、海洋电磁学和河口海岸带动力学等等。,第四节 海洋技术展望,海洋开发技术是海洋技术的一个分支，是人类进行海洋开发，实现海洋实际价值所采取的手段的总称，它是海洋开发吸收和消化各种现代科学技术、通用技术，使之适应海洋这个特殊的环境而形成的。它主要包括海洋资源开发技术(含海洋生物
15、资源捕捞和养殖技术，海水中各种有用物质的提取技术，海底矿物资源的开采和波浪、潮汐、温差等海洋能的利用技术)、海洋空间开发技术(含实现高效益海洋运输，建造海上石油平台、机场、人工岛，铺设海底电缆、输油气管道，建造海底仓库、基地等)和海洋服务技术(含进行海底作业和考察的潜水服务，预报海浪、海温、潮汐、风暴潮和为航船选择最佳航线的海洋预报技术，防止污染的海洋环境保护技术)三个方面。海洋开发，需要获取大范围、精确的海洋环境数据，需要进行海底勘探、取样、水下施工等。要完成上述任务，需要一系列的海洋开发支撑技术，包括深海探测、深潜、海洋遥感、海洋导航等。,天津新港船务海洋石油三用工作船,海水淡化技术。淡水
16、资源奇缺的中东地区，数十年前就把海水淡化作为获取淡水资源的有效途径。最近，俄罗斯海洋学家探测查明，世界各大洋底部也拥有极为丰富的淡水资源，其蕴藏量约占海水总量的20。这为人类解决淡水危机展示了光明的前景。 深海探测与深潜技术。深海是指深度超过6000米的海域。世界上深度超过6000米的海沟有30多处，其中的20多处位于太平洋洋底，马里亚纳海沟的深度达11000米，是迄今为止发现的最深的海域。1960年，美国的“迪里雅斯特”号潜水器首次潜入世界大洋中最深的海沟马里亚纳海沟，最大潜水深度为10916米。1997年，中国利用自制的无缆水下深潜机器人，进行深潜000米深度的科学试验并取得成功，这标志着
17、中国的深海开发已步入正轨。,大洋钻探技术。洋底是地壳最薄的部位，且有硅铝缺失现象，没有花岗岩那样坚硬的岩层。因此，洋底地壳是人类将认识的触角伸向地幔的最佳通道，大洋钻探是研究地球系统演化的最佳途径。为了得到整个洋壳6000米的剖面结构，从而获取地壳、地幔之间物质交换的第一手资料，美国自然科学基金会从1966年开始筹备“深海钻探”计划，即“大洋钻探”的前身。1968年8月，“格罗玛挑战者”号深海钻探船，第一次驶进墨西哥湾，开始了长达15年的深海钻探，该船所收集的达百万卷的资料已成为地球科学的宝库，其研究成果证实了海底扩张，建立了“板块学说”，为地球科学带来了一场革命。1985年1月，美、英、法、
18、德等国拉开了“大洋钻探”的序幕。“大洋钻探”计划主要从两方面展开研究：一是研究地壳与地幔的成分、结构和动态；二是研究地球环境，即水圈、冰圈、气圈和生物圈的演化。,海洋遥感技术。海洋遥感技术，主要包括以光、电等信息载体和以声波为信息载体的两大遥感技术。海洋声学遥感技术是探测海洋的一种十分有效的手段。利用声学遥感技术，可以探测海底地形、进行海洋动力现象的观测、进行海底地层剖面探测，以及为潜水器提供导航、避碰、海底轮廓跟踪的信息。海洋遥感技术是海洋环境监测的重要手段。卫星遥感技术的突飞猛进，为人类提供了从空间观测大范围海洋现象的可能性。目前，美国、日本、俄罗斯等国已发射了10多颗专用海洋卫星，为海洋
19、遥感技术提供了坚实的支撑平台。中国的海洋遥感技术始于70年代，开始是借助国外气象卫星和陆地卫星的资料，开展空间海洋的应用研究，解决中国海洋开发、科学研究等实际问题。同时，中国积极研究发展本国的卫星遥感技术。1990年9月，中国发射“风云1乙”卫星，该卫星上有两个波段为专用的海洋窗口，用于海洋遥感探测。,海洋导航技术。海洋导航技术，主要包括无线电导航定位、惯性导航、卫星导航、水声定位和综合导航等。无线电导航定位系统，包括近程高精度定位系统和中远程导航定位系统。在卫星导航方面，中国注重发展陆地、海洋卫星导航定位，已成为世界上卫星定位点最多的国家之一。,海洋技术的未来,海洋是地球上生命的发源地，对人
20、类的生存和发展起着重要的作用，被称为人类生存的第二空间和人类未来的希望所在。20世纪70年代以来，人们开始认识到，海洋不仅是全球的大通道，也是国家发展对外经济贸易、科学技术和文化艺术交流的前沿；海洋不仅是濒海国家战略防御的屏障，也是经济和社会发展的重要支撑条件。世界上不少科学家预言：21世纪将是海洋世纪，也是人类全面开发利用海洋的时代。 征服了深海的观测设备-未来的海洋探测技术未来的海洋探测技术主要有：在海洋表面进行调查的科学考察船、自动浮标站。在水下进行探测的各种潜水器。在空中进行监测的飞机和卫星。,海洋科学考察船的任务是调查海洋、研究海洋。它调查的主要内容有海面与高空气象、海洋水深与地貌、
21、地球磁场、海流与潮汐、海水物理性质与海底矿物资源(石油,天然气,矿藏等)、海水的化学成分、生物资源(水产品等)、海底地震等。大型海洋调查船性能要求是稳性和适航性能好,能经受住大风大浪的袭击。船上的机电设备、导航设备、通讯系统等先进。燃料及各种生活用品的装载量大。具有优良的操作性能和定位性能。 潜水器的任务是探测海洋深处的地貌环境，物资源和进行水下工程作业。潜水器分为载人潜水器和无人潜水器，其性能要求比核潜艇要高得多，它是人类征服深海的重要设备。,海洋卫星就是专门为观测海洋、研究海洋，以及海洋环境调查和资源开发利用而设计发射的一种人造地球卫星。海洋卫星可分为海洋水色卫星、海洋动力环境卫星和海洋综
22、合探测卫星。这些卫星一般搭载有光学遥感器（如水色扫描仪、主动区微波遥感器、散射计、SAR等）和被动式微波遥感器等多种海洋遥感有效载荷，可提供全天时，全天候海况实时资料。为海洋资源调查与开发服务。,到海底去居住-未来的海洋开发 未来的海洋资源开发技术主要涉及海洋石油和天然气开发技术，海洋生物资源开发技术，海水资源开发包括海水淡化技术，海洋能源的开发技术。随着科技的进步和时代的发展，一个开发海洋的新时代己经来临。在开发海洋中，人们将更有效地从海洋中取得更多财富。越来越多的国家正在筹划建立或已经建立了海底田园和海底牧场，人们正在从过去单纯的海洋捕捞时代，逐渐过渡到未来的“耕海”时代。在不远的将来，人
23、们在海底田园和海底牧场中，将比在陆地上的农牧场中工作得更出色、更有效，因为同面积的单位产量，海洋养殖的产量要比陆地种植高出100倍。人们将大量养殖海藻和海草等，供应陆地上的牛、猪、羊等作饲料，从而获得更多的蛋白质、世界海底田园的总产量不久将会从目前的2000万吨跃增到5000万吨，大量的海藻、海草等也将由水下联合收割机来割取，然后由钢索吊装到船上。,想象中未来的海底居住城市,在不久的将来，人们世世代代捕鱼用的渔网将被强大的吸水装置替代，利用电场发出的光、一定频率的声音和溶于水中的特殊化合物，能够引诱和迫使鱼群集中在一起，游近船上放下的吸水管道，吸水管道连水带鱼一起吸进船舱中。到那时，连同海底牧
24、场向人类提供的各种鱼虾类一起，人们从海洋中所获得的海味将达10亿多吨，比现在向海洋索取到的多上十几倍乃至几十倍。 随着世界对石油、天然气等资源需求量的不断增长和人们对这些资源的大量开采，陆地上的这些资源将日益枯竭。使人们势必将目光转向海洋，或者另找新能源。目前，己有 100多个国家和地区开展了大陆架和深海石油的勘探与开采，己发现了500多个油气田，一个为期十年的世界海洋边缘钻探计划的实施已近尾声。探索和开采海洋石油，并将把生产基地建在海底。对于海洋石油开采后的运输问题，人们将用大型潜水艇。设想把巨型塑料筒沉入海底，里面装上10万吨原油，由潜艇拖带航行。也有人设计用飞船装运。,在不远的将来，人们
25、还将建造“海底城市”，这己不是幻想，而是现实。目前，日本已为阿拉伯国家建造了一座海上游动的“小城市”。它大多用钢铁做成，中心是一座6层大厦。设有室内小花园、电影院，水电全部自己供应。它可以满足海上采油工作人员文化娱乐生活的需要。这个浮动“城市”是靠8根高大柱子托起的，把它们收起来，就可以当船行驶。将来许多海上工厂，将在原料生产地或市场附近的海域兴建起来，为海上城市居民提供物质需要。据报道，日本一群工程师、建筑师。计划在离东京120千米的海域上，建设世界首座“海洋城”，以解决未来人类住的问题。海洋城将建于200米深的海底，有4层楼高的钢骨平台，离海面约70米，面积23平方千米、全城由1万条坚固直柱顶住，直柱附近设有感应装置。可测台风、海啸及暗流，自我调整力度以抵抗这些外来压力，保持海洋城的平稳。海洋城除了住宅区外，还有一个商业中心，400个网球场，8个高尔夫球场，两个棒球场，1个栽种水果蔬菜的人工田，还有纵横相连的道路。海洋城的建设费,用估计需要2000亿美元。这座“海底城市”将居住万人以上，那时，深邃的海底不再沉默，将会跟大陆一样，变得热闹非凡，越来越多的人将去发掘它、建设它，用自己的智慧和双手去描绘这张硕大无比的宏伟蓝图。 海洋的未来向人们展示了辉煌的前景，广袤的海洋将给人类作出巨大的奉献。,谢谢！,
